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2019年,解科學之謎我們離真相更近一步
2019-12-26 07:54:34 來源: 科技日報
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  散布在喜馬拉雅山脈盧普康湖岸邊的大量人骨。圖片來源:《自然》官網

  通過表觀遺傳研究繪制的丹尼索瓦人女孩畫像。圖片來源:《科學》官網

  中外科學家提出的新模型,對5億年前地球氧氣猛增給出了新的解釋。圖片來源:中國科學院南京地質古生物研究所

  雖然科學的腳步每天都在飛速前行,為我們揭開了一個又一個真相,但在我們生活的這個大千世界裏,依然有太多的“黑暗”需要科學之光來照亮。

  2019年,我們探究了意識的産生和大腦遺忘的奧秘;解釋了地球磁極逆轉和青藏高原“人骨湖”形成的種種可能;“徹查”了5億年前地球氧氣猛增和先有雞還是先有蛋的科學真相……這一年,雖然仍有許多謎團未能最終解開,但科學家們的探尋卻從未止步。

  1

  水到底是一種液體還是兩種液體

  水很尋常,我們洗衣、做飯、飲用都離不開它。我們似乎對水最了解不過了,但是,這看似普通的水卻仍然有很多待解的謎題,科學家甚至連它是一種液體還是兩種液體都還在爭論呢。

  如果壓強或溫度改變,水的狀態就可能發生變化。水在兩種形態相互轉化的過程中,總有一個過渡點,比如在液態和氣態相互轉化的過渡點上,水既會表現出液態水的性質,又會表現出氣態水的性質。這個點被稱為“臨界點”。

  通常情況下,水溫越低,分子越不活躍,密度起伏應該越小。然而,研究人員卻發現了一個反常的現象:低溫下水的密度會發生起伏,溫度越低,密度起伏越大。對于這種密度的變化,他們給出的解釋是,水有第二臨界點。在第二臨界點之上,水會在兩種狀態之間快速轉變。在這個臨界點處,水由兩種密度不同的“水”組成。這意味著水不是一種液體,而是兩種液體。

  然而,對于水是兩種液體,也有不少人持懷疑態度,甚至有科學家批評這個結果是偽造的。大多數研究者認為水的性質可以用常規的理論來解釋。其中一種觀點認為,在非常低的溫度下,過冷的水會轉變成一種無序的固體,亦或是這是水在凝固時的一種特殊現象。

  在中科院物理研究所研究員孟勝看來,雖然一直都有人認為水是兩種不同性質的液體的混合,但現在還沒有確鑿的證據,並沒有被完全證實,這種觀點還處在假説的階段。

  2

  究竟是先有雞還是先有蛋

  究竟是先有雞還是先有蛋,始終是一個充滿爭議和趣味的話題。今年12月,來自中國科學院南京地質古生物研究所等單位的研究人員,在我國貴州甕安生物群——一個距今6.1億年的特異埋藏化石庫中找到了一類名叫“籠脊球”的化石。

  通過對這種生物形態的研究觀察,他們還原了原始“胚胎發育”的過程。如果把動物比作一只雞,那麼這類化石就相當于記錄了“蛋生雞”的過程。籠脊球化石為回答先有雞還是先有蛋的問題提供了重要線索。

  通過10多年的收集和研究,南京地質古生物研究所副研究員殷宗軍所在團隊在貴州甕安生物群,陸續發現了233塊籠脊球化石標本。

  它們呈現了單細胞動物向多細胞動物過渡的各個形態,根據大數據集的分析,科學家找到了演變規律。從掃描效果圖上,記者看到這類化石從內部呈現空心“籠”體,演變為“實心球”的各階段“胚胎發育”過程。

  殷宗軍認為,如果將動物比喻成一只雞的話,復雜的胚胎發育過程就是孵化出小雞的蛋,它橋接了動物的單細胞祖先和動物多細胞祖先之間的鴻溝。而籠脊球化石的發現恰恰就表明,孵化出動物這只“小雞”的“蛋”在6.1億年前就已經出現了。

  3

  幾十噸的恐龍如何飛上天

  在學界,關于鳥類起源于恐龍有多種假説,其中由英國學者托馬斯·赫胥黎于1868年正式提出的鳥類獸腳類恐龍起源説在上個世紀70年代開始逐漸成為了學界的主流假説。

  從體型龐大的陸地動物到體型小巧的天之驕子,這需要在形態和生理上産生許多巨大變化,這樣一個過程確實難以想象。然而,許多化石證據顯示,這一過程確實發生了。

  2014年,澳大利亞等國的研究人員根據120種恐龍的1500多個解剖特徵,構建復雜數學模型分析了恐龍在進化過程中的體型變化。分析結果顯示,獸腳類恐龍當中的一支,它們的體型一代一代地縮小,在如此“瘦身”5000萬年後終于進化成了鳥類——2.1億年前其平均體重為163千克,當進化到始祖鳥時已經降至0.8千克。

  恐龍想變成鳥除了要變小之外,還要會飛,鳥類飛翔靠的是翅膀。此前,古生物學家在我國遼寧建昌發現了約1.6億年前的近鳥龍化石。中科院古脊椎所研究員徐星介紹,近鳥龍長而粗壯的前肢上長著飛羽,排列方式類似鳥類飛羽,這説明翅膀的雛形在至少1.6億年前就在恐龍身上出現了。除了近鳥龍,還有其他幾種獸腳類恐龍,像小盜龍和似尾羽龍,都有著類似羽毛翅膀的結構。

  綜合這些化石證據,恐龍變成鳥類可能經歷了這樣一個階段,一些恐龍的身體逐漸變小,長得也越來越像鳥類:骨骼中空,身體輕盈;腦顱膨大,行動敏捷;前肢越來越長,能像鳥翼一樣拍打;它們的體表長出了美麗的羽毛,不再披著鱗片或鱗甲。

  雖然恐龍是如何演化成鳥的,目前還沒有一個特別確切的答案,但不管怎樣,原本不會飛的恐龍最終變成了天之驕子,它們飛向藍天,從此開辟了一個嶄新的生活天地。

  4

  是什麼讓地球氧氣在5億年前猛增

  氧氣是人類和動物賴以生存的基礎。但是,遠古時期的地球曾極度缺氧,是一片不折不扣的生命禁區。然而,到了距今5.8億—5.2億年左右,地球氧氣卻猛地增加了。

  似乎有一種神秘力量在左右著地球氧氣含量的平衡點。多年來,科學家一直在尋找那股神秘力量。它究竟是什麼?又是如何發揮作用的?

  此前,流行的假説是“生物與環境協同演化模型”。這個模型提出的正反饋機制表現為氧氣增加的線性加速,這與距今5.8億—5.2億年左右大氣和海洋氧氣含量多次大規模波動、生物發生階段性輻射演化的實際情況卻是不一致的。

  中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎帶領的中英合作團隊耗時數年,對距今5.8億到5.2億年前後的地質層和生命演化做了進一步的觀察和研究,對地層中的碳同位素進行對比分析,提出了一個新的地球係統模型,對這一時期地球氧氣迅速增加的原因給出了新的見解。

  他們認為距今5.7億年前後,地球上的主要大陸通過拼合形成了一個岡瓦納超大陸和位于超大陸內部的超級中央造山帶,將8億年前後大量沉積的蒸發岩礦物風化剝蝕輸入海洋。蒸發岩作為一種氧化劑,使得大氣和海洋中的氧氣快速增加,為大型復雜多細胞生物的快速演化提供了基礎。

  5

  地球磁極逆轉原因還未定論

  今年1月,《自然》網站報道,受到地核內液態鐵的運動影響,地磁北極正不斷從加拿大向西伯利亞偏移,而且移動速度非常快。地磁北極的快速移動迫使科學家不得不緊急更新世界地磁場模型。

  有人説,地球核心磁場似乎在減弱,這可能是地球磁場即將逆轉的一個信號。也有國際研究小組表示,地磁場變化的現象被誇大了太多,現在説磁極逆轉為時尚早。

  20世紀40年代發展起來的“發電機理論”認為,地磁北極快速遷移的原因是“位于加拿大地區下面的高速液鐵射流”。這股噴射出來的液態鐵流體,讓加拿大附近的磁場變弱,從而使得地磁北極向著磁場更強的俄羅斯西伯利亞地區移動。科學家認為,地磁北極的位置,可能是由北極附近兩塊大的磁場的相互強弱決定的。

  在地球漫長的歷史中曾出現多次磁極逆轉的現象。關于磁極逆轉的原因,到現在也還無定論,佔主流的有以下3種假説:第一種,認為磁極倒轉是因為地球處在銀河係這個大磁場中,地球磁極的逆轉是根據銀河的磁極逆轉轉變的;第二種,認為地球內部的物質不斷發生碰撞,碰撞的結果使地球內部的磁場不斷地調整、變化;第三種,認為隕石撞擊地球致使磁場發生了轉變。不過無論什麼説法現在都是猜想,人類對地球、對宇宙的探索還將繼續。

  6

  誰來揭開丹尼索瓦人的面紗

  今年10月,以色列和西班牙科學家在《細胞》雜志上報告説,他們根據丹尼索瓦人的表觀遺傳信息重建了其容貌,這是對丹尼索瓦人骨骼解剖學特徵的首次復原。

  丹尼索瓦人是生活在上一個冰河時代的人類種群,因發現于西伯利亞的丹尼索瓦洞而得名。由于迄今發現的丹尼索瓦人化石少之又少,這支古人類一直帶著神秘色彩。

  中科院青藏高原研究所所長陳發虎院士表示,目前丹尼索瓦人的化石證據和相關研究還非常有限,還不足以討論其起源地問題。從已知的丹尼索瓦人化石形成時間來看,夏河丹尼索瓦人化石最小年齡是距今16萬年,丹尼索瓦洞最老的丹尼索瓦人化石年齡可能距今19.5萬年,兩個地點化石年代上差別不大,很難説哪個一定出現更早。

  而就目前發現丹尼索瓦化石的兩處地點,還不能推測出具體的遷移路線。根據兩個地點的自然環境、丹尼索瓦人和現代藏族人群的遺傳學研究結果,及其高寒缺氧環境基因EPAS1攜帶情況推測,丹尼索瓦人有可能存在一個大致的由南向北的擴散路線,但目前並沒有直接的證據可以證明這一點。

  在陳發虎看來,目前丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人基因組研究可以反映出他們可能曾經在東亞廣泛分布,未來東亞地區一些新發現應當會推動我們對這一古老人群的認識,包括起源、遷徙路徑等。

  7

  確定“人骨湖”成因還需更多證據

  今年9月,美國科學家發表了一項關于喜馬拉雅山脈“人骨湖”的研究成果。“人骨湖”本名叫“盧普康”,位于喜馬拉雅山脈西南側,因二戰期間被發現時的恐怖畫面而更名:成百上千根人類大腿骨、肋條、手指節飄蕩在湖水中,還有許多碎骨躺在湖畔的石灘上。

  這一發現旋即吸引了全世界的目光,幾十年來,眾多歷史學家、科學家和考古學家紛紛試圖解答這幾百人是什麼身份?為什麼會集中死在這?

  美國哈佛醫學院的研究人員對來自“人骨湖”的38具骸骨做了DNA分析和放射碳測年。測年結果顯示,這些骸骨來自公元800年—1800年,男女比例基本對半分,其中14名個體可追溯至公元1800年左右。時間相隔約1000年,説明這些骸骨是因多次事件而堆積在此,並不是在同一時間內集體死亡的。這就推翻了之前戰爭説和瘟疫説。

  目前比較靠譜的是宗教説。“人骨湖”不遠處就是全印度第二高峰楠達德維峰,著名的岡仁波齊就在楠達德維再往北一點。楠達德維也是當地宗教文化中的“聖山”,“人骨湖”正好地處朝拜“聖山”的路線上。很有可能,那些信徒在朝拜過程中不幸遇難,最終匯集到了地勢低洼地帶的湖區。研究團隊認為,宗教説至少可以解釋部分屍體的來源,但有待更多證據來證明。

  8

  人類意識從何而生

  人為什麼會有意識至今是個謎。

  科學家發現,人們在覺醒並專注于某件事時,常可見一種頻率較β波更高的γ波,其頻率為30Hz—80Hz,波幅范圍不定。有假説認為,γ波也許與建立統一的清晰認知有關——源自丘腦、大腦的神經元電路,每秒40次掃描(40Hz,γ波特徵)吸引不同的神經元電路的同步,進而增強意識、産生注意力。這一假説受丘腦受損的現象支持——丘腦受損後,40Hz腦電波難以形成,意識則無法喚醒,病人也陷入深度的昏迷。因此γ波被視為人腦意識活動的標志,但兩者之間的關係仍沒有定論。

  2014年,有報道表明,研究人員首次通過高頻電脈衝刺激大腦屏狀體區域關閉人的意識,發現暗示屏狀體可能是將不同的大腦活動匯集成思維、感覺和情緒的單一組織。但其他科學家對此謹慎地指出,目前只在一個人身上測試了意識關閉,而且實驗對象是一名癲癇症患者,海馬區受損的她不能代表普通人。

  這個研究隨著影像科學的發展似乎有所轉機。2017年3月,《自然》雜志報道了一項新的數字重建技術和使用該技術帶來的新發現——在小鼠腦內發現了3個伸展至全腦的巨大神經元。它之所以引起轟動,是因為人類從未見過在腦內伸展范圍如此之廣的神經元,這些神經元來自屏狀核。

  對此,復旦大學醫學神經生物學國家重點實驗室研究員黃志力説,目前的發現也並不能證明這是意識出現的唯一路徑,很可能是多係統的共同作用。

  9

  我們的大腦是怎樣遺忘的

  一直以來,科學家們把遺忘看作是記憶的一個小故障。然而,過去10年裏,越來越多的證據表明,記憶的喪失並不是被動的過程,而更像是一種主動的過程,我們的大腦在不停地主動遺忘。

  那麼,如果遺忘機制是主動發生的,那麼它在什麼情況下會啟動,遺忘機制為何會出問題等,這些目前還都有待科學研究給出答案。

  通過對人類在睡眠中的監測,有一些觀點可以證實,人在睡眠中會“主動遺忘”。目前關于在睡眠中遺忘機制的啟動主要有兩種觀點,一種是可能與下丘腦黑色素聚集激素神經元有關,日本學者發現一種僅在REM期(快速眼動期)激活的一類神經元可以分泌一種“黑色素聚集激素”的物質,黑色素聚集激素神經元的激活在促進REM期睡眠的同時,顯著抑制海馬神經元活性,導致遺忘,動物實驗也證實了該説法的可信性。

  另一種觀點可能與突觸重整來達到突觸穩態有關。研究發現,覺醒持續一定時間後,與學習記憶有關的通路會出現突觸數量增多、體積增大、膜上受體過多等表現,這些變化會導致進一步佔據有限空間,消耗能量,使突觸傳遞效率下降。睡眠可移除覺醒期細胞膜上增加的受體,減小一部分並不重要的新突觸,與此同時它還會巧妙地加強和保存一小部分比較重要的突觸,恢復突觸權重,保證突觸穩態,從而提高突觸傳遞效率。

  10

  中子短暫的一生仍令人迷惑

  自由的中子能活多久?不到15分鐘。它短暫的一生令人迷惑。用不同方法測量,中子壽命有明顯差別,這事我們還解釋不了。科學家們相信,搞明白中子壽命的差異之謎,將通向新的理論,甚至突破粒子物理的標準模型。

  中子本來可以長生不老——跟質子結合,組成原子核的中子非常穩定。但當它不幸被甩出原子核(比如核裂變中脫離了鈾原子核),生命倒數就開始了,它很容易衰變成其他粒子。測量中子壽命的嘗試已有70年,但科學家仍無法達成一致。

  由于中子衰變成的質子是帶電荷的,不難用一個電磁陷阱來誘導和圍捕質子流,並且數數它們有多少。很長的一段時間裏,物理學家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。美國馬裏蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所的團隊已經為此奮鬥了30年。2013年他們報道了最高精度結果:887.7秒,正負3.1秒。

  與此同時,一群科學家另辟蹊徑:用保溫瓶儲存超冷中子,過一段時間後統計中子數量。2008年法國和俄國科學家的聯合實驗結果是:878.5秒,正負1秒。

  目前為止,用“數質子”方法測到的中子壽命平均在885.4秒左右;而“數中子”方法得到的結果是878.5秒左右。但是難題來了:近8秒的差距,無法用測量誤差來解釋。

  而今年《自然》網站發表的文章,聚焦位于美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的超冷中子實驗,它或許能更準確地測量中子壽命。(記者 陸成寬)

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【糾錯】 責任編輯: 王佳寧
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